基于平移多小波診斷礦用皮帶機齒輪系統故障研究

冀 杰

（山西新元煤炭有限責任公司，山西晉中 030600）

0 引言

皮帶運輸機齒輪結構是煤礦井下大型運輸機械設備的傳動構件，齒輪系統性能狀態直接決定了皮帶運輸機運輸的穩定性和安全性，若發生故障將嚴重影響礦井運輸環節，進而給礦井生產帶來經濟損失。平移多小波理論[1]在其他領域已經試驗成功，并已運用到工程實踐中。為此，本文借鑒其他領域的成果，在判斷礦井皮帶機齒輪系統故障運用平移多小波來進行診斷[2]。皮帶機在運行過程中齒輪結構常常發生斷齒、點蝕、磨損等故障，為了找出齒輪故障位置、故障類型以及危害程度，在井下工作條件下，采取停機檢查，但由于僅憑檢修人員經驗或者肉眼觀察，容易出現誤判，反而會耽誤皮帶機的生產運輸。為了精準判斷、分析皮帶機齒輪系統故障，采用現代技術的平移多小波[3]為分析工具，針對井下皮帶機齒輪系統故障進行診斷，從而有效評判出齒輪故障類型、原因、位置，及時為維修人員提供幫助，避免皮帶機運行過程中發生事故。希望通過利用平移多小波技術對皮帶機齒輪系統故障成果診斷，以解決煤礦機械設備故障評判難題，確保礦井安全生產和穩定運輸。

1 齒輪系統故障類型

礦用皮帶機齒輪系統常見的齒輪故障類型主要有以下幾類。

（1）斷齒。在皮帶機運輸中齒輪受到載荷作用，其根部會承受脈沖循環彎曲應力作用，齒輪根部材料極限無法應對周期性的應力時，根部出現裂紋。隨著運輸的進行，裂紋逐漸擴大，一旦傳動載荷超過齒輪剩余根部，承受極限就會出現斷齒。

圖1 皮帶機齒輪斷齒

（2）齒面磨損。若在齒面添加的潤滑油中夾有雜物等硬性物質，在齒輪嚙合過程中，雜物會造成齒面磨損。

（3）齒面膠合。當皮帶機齒輪系統處于高溫高熱、重載荷和高速運轉狀態下，潤滑油補充不及時或者出現潤滑效果不好等情況，齒輪與齒輪之間強制磨合，造成一個齒面與另一個齒面熔焊，形成劃傷狀膠合。

（4）點蝕。皮帶機齒輪系統在工作中，齒輪間既會發生相對滑動，也會發生相對滾動，在摩擦力作用下產生脈動載荷。齒輪表面受到外物載荷和脈動載荷影響，齒輪表面內部會形成周期性剪應力，剪應力一旦超過齒輪自身結構的疲勞極限，致使齒面小金屬脫落，齒面上就會突顯凹凸不平的小坑，這被稱之為疲勞點蝕。

為了確保皮帶機不受齒輪系統影響，采用平移多小波理論對斷齒、磨損、膠合、點蝕等齒輪故障進行診斷，進一步降低生產運輸風險，為維修提供支持。

2 平移多小波故障診斷

通過平移多小波發生器，對需要診斷的齒輪進行檢測。利用平移多小波技術提取沖擊信號，通過儀器上波形圖與無故障的波形圖進行對比，分析周期沖擊特征，在儀器和控制中心處理后，就可以判斷出齒輪系統故障類型、原因、位置等[4～5]。平移多小波發生器采集的波形如圖2所示，其中橫坐標表示時間，縱坐標表示振幅。

圖2 利用平移多小波技術對齒輪診斷的波形圖

平移多小波發生器通過發射小波對皮帶機齒輪結構進行采樣，提取波形特征信號，礦用皮帶機齒輪結構的故障特征信號作為即將檢測的樣本信息，然后對其處理。待檢測信號利用控制中心預估、評判、分析，就得到了故障波形圖，與正常波形圖對比，從而得出齒輪系統故障類型、位置。

3 實驗研究

3.1 基本情況

某礦井主斜井擔負著整個礦井的煤炭運輸，若齒輪系統發生故障將嚴重影響礦井的生產效益。為此，為了驗證平移多小波的診斷齒輪系統故障的適用性，在實驗室進行模擬試驗。實驗所采用的皮帶機齒輪結構中既有正常齒輪，又有故障齒輪。實驗室模擬所用器材如圖3所示，實驗皮帶機齒輪結構中間軸上有故障齒輪。為控制變量，電機轉速設定為固定值，第二級齒輪嚙合頻率設定為130 Hz；中間軸上的齒輪旋轉頻率設定為2.5 Hz；齒輪結構的輸出軸旋轉頻率設定為0.5 Hz。

圖3 診斷齒輪結構的實驗臺

為了驗證平移多小波診斷皮帶機齒輪結構故障的效果，把齒輪故障進行組合得到不同類型、不同位置、不同原因的故障，在實驗中將正常運行齒輪的波形作為標準的參考值。在實驗中，利用平移多小波發生器采集了診斷信號，并對該波形信號進行識別和診斷。

3.2 實驗結果

根據平移多小波診斷原理，利用概率論對獲取的波動信號進行參數估計，提取波形特征信號。利用控制中心預估、評判、分析，就得到了故障波形圖，與正常波形圖對比，從而得出齒輪系統故障類型、位置。實驗中利用平移多小波技術診斷皮帶機齒輪故障幅值譜和包絡譜如圖4所示。

圖4 利用平移多小波診斷皮帶機齒輪故障結果

由圖4可知，儀器對小波分解后選取重構逼近信號，利用平移多小波技術對特征信號進行提取[6]。根據診斷齒輪的幅值譜明顯看出頻率為133.7 Hz最為突出，與第二級的齒輪嚙合頻率130 Hz基本接近，說明平移多小波技術能夠準確評判出齒輪嚙合狀況。對儀器提取的特征波形信號進行包絡譜調質分析，發現包絡譜中的調質頻率有0.55 Hz、7.02 Hz、14.05 Hz、21.13 Hz、28.15 Hz等信號成分，0.55 Hz頻率正好與齒輪系統輸出軸的旋轉頻率接近，而其他信號成分均大于中間軸上的齒輪旋轉頻率。通過分析可以初步判定中間軸上的齒輪為故障齒輪，與實驗初期設定結果相符。

3.3 工程試驗

為了進一步確認平移多小波診斷齒輪故障準確率，對某礦的主斜井皮帶運輸機齒輪系統進行了工業性試驗。采用平移多小波對皮帶機齒輪系統進行診斷，提取有效特征信號，對提取的齒輪特征頻率采用幅值譜和包絡譜進行分析，通過對比正常齒輪波形頻譜圖，進而確定出了齒輪故障[7-8]。利用平移多小波診斷齒輪系統故障的波形頻譜如圖5所示。

圖5 診斷結果

從圖5診斷結果看出，周期性脈沖信號時強時弱、交替出現，如圖中的沖擊波形I1和I2。I1波出現大沖擊波形，說明故障嚴重，儀器顯示該齒輪發生了斷齒，主要原因是受瞬時沖擊載荷造成；圖中標注處的I2是微小沖擊波形，表明該處為齒面膠合，由缺少潤滑油引起。停止皮帶機運輸，對其齒輪結構檢查，發現大齒輪斷掉了1個齒，而在大齒輪和小齒輪嚙合面上有相互膠合損傷，斷齒與膠合損傷相間約1/4圓周距離。

利用實驗對樣本測試結果表明，平移多小波診斷皮帶機齒輪結構故障準確度高達99.7%，說明該方法可行有效，良好地解決了煤礦困擾多時的皮帶機齒輪結構故障難題。平移多小波診斷礦用皮帶機齒輪結構故障，可行性高、技術先進，能夠為維修人員對皮帶機故障查找提供精準的類別、位置，降低維修人員的勞動強度、減少工作量，有效避免了因皮帶機齒輪結構故障造成的安全事故，為礦井高效率生產奠定了基礎。

4 結束語

為了精準判斷礦井皮帶機齒輪系統故障，減小維修難度，論文基于平移多小波診斷齒輪系統故障研究，分別從3個方面進行了分析、探討。

（1）礦井皮帶機齒輪系統在工作過程中主要有斷齒、膠合、磨損、點蝕等故障，受工作環境限制，人工診斷齒輪故障難度高。

（2）平移多小波在發生器中對采集的特征信號進行分析、評判處理，與正常齒輪波形對比，綜合確定齒輪系統故障類型、位置和原因。

（3）為了驗證平移多小波的實用性，分別在實驗室和現場進行了試驗。試驗表明，利用平移多小波診斷皮帶機齒輪系統故障準確性高、可行性強，能夠為維修人員提供有效幫助，也為礦井皮帶運輸機安全、穩定運輸奠定了基礎。